超快激光器，如皮秒激光器和飞秒激光器，被广泛应用于材料科学与工程领域。近年来，放大系统的进步使超快激光领域取得了长足的发展，这对各行各业，尤其是材料科学领域大有裨益。超快激光可以改变各种材料，超快激光的分辨率极高，瞬时时间极短，因此是精确瞄准特定目标应用的最佳选择。

超快激光在材料纳米级结构中的应用
最近，研究和商业材料科学领域对利用超快激光制造纳米级特征产生了浓厚的兴趣。这主要得益于全球工业界对微型化的关注，而超快激光等新型制造技术和工具则实现了小型化。

纳米光子学》（Nanophotonics）杂志最近发表的一篇文章指出，工业上用来塑造任何材料（尤其是固体）的最先进方法是将高能超快激光以足够的强度照射到材料表面，以刺激和去除材料。

除了直接烧蚀过程外，当表面被激发时，还会出现另一种利用超快激光的结构化现象。这需要将表面形貌转化为具有亚波长周期性的规则图案，即超快激光诱导的周期性表面结构。

对于体纳米结构至关重要的最初概念涉及所谓的 "微爆炸"。这一概念需要用超快激光器刺激高密度等离子体，从而产生巨大的电子压力、冲击波和多毫巴级的稀有效应。纳米级结构是通过超快激光的精确聚焦实现的。

超快激光产生的纳米结构应用领域广泛且多样。它们可在光学、机械和生物学领域产生高性能功能，尤其是在光波长范围内进行结构化时。这归因于与表面形貌、特定表面特征或特征尺寸相关的特性。

超快激光： 焊接陶瓷的唯一有效方法
现代制造业在很大程度上依赖于焊接，但通过传统方法实现可靠的陶瓷焊接仍然是一个难以实现的目标。耐高温的特质使工程陶瓷在众多具有挑战性的应用中不可或缺，同样也给陶瓷的焊接带来了巨大的挑战。

最近发表在《科学》杂志上的一篇文章强调了超快激光在焊接陶瓷方面的优势。超快激光器提供的精确能量传输在增材制造中发挥着关键作用，并有可能在陶瓷焊接中发挥巨大作用。值得注意的是，使用超快激光连接各种类型的玻璃已经取得了成功。

值得注意的是，与典型的工程陶瓷（如稳定氧化锆和氧化铝）相比，用超快激光成功焊接的一些玻璃（如硼硅酸盐）的断裂韧性和抗热震性较低。要在陶瓷中成功实现超快激光焊接，关键在于能否将激光聚焦在材料内部，从而引发非线性和多光子吸收过程，导致局部吸收和熔化。

最近的一篇文章介绍了一种新型超快脉冲激光焊接方法。这种技术将光线集中在陶瓷内部的界面上，形成一个光学相互作用体积，激发非线性吸收过程，从而导致局部熔化而非烧蚀。这项研究的关键因素是线性和非线性光学特性之间的相互作用，以及激光能量与材料之间的有效耦合。

使用这种激光焊接方法生产的陶瓷组件能保持高真空条件，并表现出与金属-陶瓷扩散键相当的剪切强度。现在，激光焊接可以将陶瓷集成到用于苛刻环境的设备中，也可以集成到要求在可见光到无线电频谱范围内具有透明度的光电子和电子封装中。

超快激光在焊接透明陶瓷方面具有特殊的多功能性，因为它们可以通过材料聚焦。这样就可以在多个相互作用区焊接更复杂的几何形状，从而扩大潜在的焊接量。

用于材料加工的超快激光器
在过去十年中，超快激光在材料加工方面的应用有了长足的发展，其在科学、技术和工业方面的应用也日益明显。

在用于制造的超快激光领域，光能通过脉冲从紧密聚焦的飞秒或皮秒超快激光器中获取，并被引导到材料中高度特定的位置。这是通过双光子或多光子激发实现的，其发生的时间尺度远远快于光激发电子和晶格离子之间的热能交换。

在管理超快激光的光离子化和热过程方面实现了极高的精确度，从而能够对小于 100 纳米的区域进行局部光修饰。

根据发表在《光： 科学与应用》（Light: Science and Applications）上发表的文章指出，超快激光器以连续波（CW）或脉冲模式在 10 或 1 μm 波长下工作，它的使用已经为汽车、建筑和标识领域做出了重大贡献。

例如，飞秒（fs）激光器等超快激光器在要求高精度的应用中非常重要，尤其是在涉及脆性和硬性透明材料的表面和主体结构时。此外，当需要以复杂的三维方式对复合材料和层状材料进行复杂构造时，超快激光（如 fs 激光构造）被证明是非常有效的。

超快激光加工过程中面临的挑战
使用超快激光对材料进行加工和功能化是一个非凡的过程；然而，正如《先进光学技术》（Advanced Optical Technologies）杂志最近发表的一篇文章所指出的那样，需要克服某些挑战。

许多现代超快激光器的单次爆发烧蚀深度只有几百纳米。这意味着需要在单个区域发射大量超快激光脉冲才能烧蚀材料。此外，在最近的研究中，高斯超快激光加工材料的最高效率约为 12%。这一效率百分比引发了许多关于高斯超快激光器工业应用的问题。

处理光学系统是超快激光器不可分割的一部分，它能引起非线性效应，从而改变发射脉冲的特性。这会影响超快激光器的脉冲持续时间和光谱等参数。在极端情况下，光学元件内的高能量可能会导致超快激光所瞄准的材料受损。

超快激光在材料科学领域的应用非常广泛。随着当前人工智能技术的进步和大数据分析的融入，在材料科学领域的超快激光材料加工应用中，有可能在工艺、结构和性能之间建立可靠的相关性。

这种方法有望简化超快激光在材料增材制造中的应用，提高计算精度，为实现各种商业目标提供有效手段。

参考资料

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作者：Ibtisam Abbasi